Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống, đặt nằm ngang, gồm 1 pass phía vỏ và 4 pass phía ống. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, gồm 61 ống xếp vòng lục giác, xếp thành 4 vòng, số ống trên đường xuyên tâm là 9. (ST2_V.11/49)
Chọn đường kính ngồi của ống dng = 0,025m, đường kính trong của ống dtr = 0,021m Bước ống, chọn : t = 1,2.dống = 1,2.0,025 = 0,03 m
Đường kính trong của thiết bị ống chùm ( ST2_V.141/49 ) D = t.(b-1) + 4d = 0,03.(9-1) + 4.0,025 = 0,34 m → Chọn D = 0,4 m
Nhiệt độ vào là tv = 25 C và ra là tr = 40 C. Sản phẩm đỉnh đi trong ống 25x2 (ống ngoài) với nhiệt độ vào là tDv = 65,03 C và nhiệt độ ra là tDr = 40 C.
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo cơng thức:
Hiệu số nhiệt độ trung bình:
̅̅̅ ∆ = Tính (1−4): = = (1−4) = ( ST2_V.8/5 ) (ST6_3.61/192) (ST6_3.61/192) (ST6_3.71/192)
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
1
= 1 +∑ + 1 ( ST2_V.5/3 ) Trong đó:
: hệ số cấp nhiệt của nước trong ống (W/m2.K)
: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đỉnh (W/m2.K)
∑ : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
Nhiệt lượng cần tải:
= . . ( − ) = 447,17.2755,5. (65,03 − 40) = 30841,39 ( ℎ )
* Xác định hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đi trong ống
Các thông số của sản phẩm đỉnh tại nhiệt độ tDtb = (65,03 + 40)/2 = 52,52oC: Suất lượng đỉnh GD = 447,17/3600 = 0,124 (kg/s)
Nhiệt dung riêng CD =
Khối lượng riêng ρ = 762,73 (kg/m3)
Độ nhớt động lực µD = 0,385.10-3 (N.s/m2 )
Hệ số dẫn nhiệt
Vận tốc của sản phẩm đỉnh đi trong ống:
=
Chuẩn số Reynolds:
=
→ Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
= 0,15.
=
Tra ST1_Bảng I.235/285, hệ số giãn nỡ thể tích của sản phẩm đỉnh coi như là methanol
ở 52,52oC: = 1,25.103 oC-1
Với:
1: hệ số phụ thuộc vào ReD và tỉ số L/dtr. Giả sử L/dtr > 50, nên 1= 1.
PrD: Chuẩn số Prandlt của sản phẩm đỉnh ở 52,52 C
= . = 0,385.10−3.2726,34 = 5,1 ( ST2_V.35/12 ) λD 0,206 66,75 → = 0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước ngoài chùm ống : =
.λD
Nhiệt tải phía nước lạnh:
=
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
* Xác định hệ số cấp nhiệt của nước đi ngoài ống
Các thơng số của nước ở nhiệt độ trung bình tNtb = (tv + tr) = (25+40)/2 = 32,5oC Nhiệt dung riêng Cn
Khối lượng riêng ρn Độ nhớt động lực μn Hệ số dẫn nhiệt ̅ .( − . = 2
Vận tốc thực tế của nước ở ngoài ống:
=
Chuẩn số Reynolds:
→ Chế độ chảy dịng, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
= 0,23. . 0,65
Với:
: hệ số tính đến ảnh hưởng của góc ( giả sử 90o ) nên= 1.
Prn: Chuẩn số Prandlt của nước ở 32,5oC, Prn = 4,75 (ST2_ Hình V.12/12) Prw: Chuẩn số Prandlt của nước ứng với nhiệt độ trung bình của vách.
46,4
→ =
0,25
Hệ số cấp nhiệt của nước trong ống:
=
Nhiệt tải phía nước làm lạnh:
=
Với tw2 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với nước ở phía trong ống.
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
= 1− 2 (W/m2)
∑
Với: tw1 là nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu ở ngoài ống và ∑ = + 2 Bề dày thành ống: = 0,002 m
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Hệ số dẫn nhiệt của thép khơng gỉ:= 17,5 (W/m.oK)
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống: r =1/5000 (m2.oK/W)
Suy ra: ∑ = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 (
Từ (*),(**),(***) tính lặp để tìm tw1 và tw2. Chọn tw1 = 41,41oC
Các thơng số của sản phẩm đỉnh ứng với nhiệt độ tw1: Nhiệt dung riêng
Độ nhớt động lực µw1 = 0,442. 10−3N. s/m2
Hệ số dẫn nhiệt
= 1
Từ (*) → qD = 4710,26 (W/m2)
Xem như nhiệt mất mát không đáng kể: qt = qD = 4710,26 (W/m2) Từ (***) → tw2 = 38,99oC → twtb = (41,41+38,99)/2 = 40,2oC
→ Prw2 = 5,77 (ST2_V.12/12) Từ (**) → qn = 4818,59 (W/m2)
Kiểm tra sai số: = | − | . 100% = 2,3% < 5% (thoả)
Vậy tw1 = 41,41oC và tw2 = 38,99oC
Khi đó: αn = 742,46 (W/m2. C) và αD = 422,49 (W/m2. C) Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
=
Bề mặt truyền nhiệt:
Chiều dài ống:
=
Chọn chiều dài ống là 2 m, đường kính trong của vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,4 m. Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr:
=
52 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
BI. Nồi đun gia nhiệt sản phẩm đáy
Chọn thiết bị đun sôi đáy tháp là nồi đun Kettle
Ống truyền nhiệt làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 25x2, 7 ống
Dòng sản phẩm đáy, trước khi vào nồi đun có nhiệt độ tw1 = 99,08oC, sau khi ra khỏi nồi đun là hơi ở nhiệt độ tw2 = 100oC, đi ở ngồi
Dịng hơi nước ở áp suất 3 at ngưng tụ ở thơi = 132,7oC, đi ở ống trong Nhiệt hoá hơi rh = 2171,29 (kJ/kg)
Diện tích bề mặt truyền nhiệt được tính theo cơng thức: = ̅̅̅ (ST2_V.1/3)
.∆
Hiệu số nhiệt độ trung bình:
̅̅̅
∆ =
Nhiệt lượng hơi đốt cung cấp cho nồi đun:
2 = 71603,52 (kJ/h) = 19889,87 (W) (đã tính ở cân bằng năng lượng)
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
Trong đó:
: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm đáy trong ống (W/m2.K)
ℎ: hệ số cấp nhiệt của hơi nước ngưng tụ (W/m2.K)
∑ : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
* Hệ số cấp nhiệt của hơi nước được xác định theo công thức:
ℎ = 1,28 . (
Với A là hệ số phụ thuộc vào tính chất vật lý của nước theo nhiệt độ Nhiệt tải phía hơi nước:
=
ℎ ℎ
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng sản phẩm đáy:
Do nồng độ methanol trong dòng sản phẩm đáy là rất nhỏ, nên ta xem dung dịch sản phẩm đáy là nước:
Nhiệt độ trung bình của sản phẩm đáy trong nồi: tStb = (99,08+100)/2 = 99,54oC Khi sủi bọt trong thể tích lớn, hệ số cấp nhiệt được tính theo cơng thức:
′ 0,033
= 7,77. 10−2. ( . ℎ)
− ′
53 | P a g e TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
→ = 7,77. 10−2
Các thông số của nước ở tStb = 99,54oC, 1at là ( tra ở ST1) Khối lượng riêng pha lỏng: = 958,32 kg/m3 Khổi lượng riêng pha hơi, ta có:
′ =
Độ nhớt động lực học:= 0,286. 10−3
Hệ số dẫn nhiệt: Sức căng bề mặt:= 0,059 N/m
Nhiệt dung riêng: Nhiệt hoá hơi: = 2258,61 kJ/kg
Giả sử q = qt
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
= 1− 2 (W/m2)
∑
Trong đó:
∑ = +2
= 2 mm: bề dày thành ống
= 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28)
r = 1/5000 (m2.oK/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4)
1
→ = 0,00217,5+2.50001 (tw1 − tw2) = 1944,44 (tw1 − tw2)(***)
Từ (*), (**), (***), tính lặp để tìm tw1 và tw2 Chọn tw1 = 130,72oC
Ta tra được giá trị của A = 191,216 → qh = 41195,37 (W/m2) Giả sử qt = qh → tw2 = 109,53 oC
→qS = 41891,75 (W/m2)
Kiểm tra sai số: = | − ℎ| . 100% = 1,69% < 5% (thoả) ℎ
Vậy tw1 = 130,72oC và tw2 = 109,53oC
Khi đó: ℎ = 20805,74 (W/m2.oC) và = 4242,86 (W/m2.oC)
54 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
→ =
Diện tích bề mặt truyền nhiệt:
Chiều dài ống truyền nhiệt: = . .( + )/2 = 1,18 ( ) (ST2_V.1/3) →Vậy chọn L = 1,5 (m), thoả điều kiện L/dtr>50.
IV. Thiết bị gia nhiệt dòng nhập liệu
Chọn thiết bị truyền nhiệt vỏ - ống đặt nằm ngang, gồm 6 pass phía ống và 1 pass phía vỏ. Ống truyền nhiệt được làm bằng thép X18H10T, kích thước ống 16x2, 61 ống. Các thơng số của ống:
Đường kính ngồi: dn = 16 mm = 0,016 m Bề dày ống: = 2 mm = 0,002 m
Đường kính trong: dtr = 0,012 m
Hơi đốt là hơi nước ở 3 at, đi trong ống 16x2. Ta được các thơng số: Nhiệt hố hơi: rnước = rn = 2171,29 kJ/kg
Nhiệt độ sôi: tnước = tn = 132,7oC Dịng nhập liệu có nhiệt độ:
- Trước khi vào nồi đun (lỏng): 25oC
- Sau khi được đun (hơi): 82,06oC Suất lượng hơi nước cần dùng:
1 = − = 159,29 (kg/h) 0,95
Hiệu số nhiệt độ trung bình:
Chọn kiểu truyền nhiệt ngược chiều, nên:
̅̅̅ ∆ = ( ∆ Hệ số truyền nhiệt: = Trong đó:
: hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu (W/m2.K)
: hệ số cấp nhiệt của hơi đốt (W/m2.K)
∑ : nhiệt trở của thành ống và lớp cáu (m2.K/W)
55 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
* Nhiệt tải qua thành ống và lớp cáu:
= 1− 2 (W/m2)
∑
Trong đó:
1: nhiệt độ của vách tiếp xúc với rượu (ngoài ống) và ∑ = + 2 = 2 mm: bề dày thành ống
= 17,5 (W/m.oK): hệ số dẫn nhiệt của thép không gỉ (ST3_Bảng 28/28)
r = 1/5000 (m2.oK/W): Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống (ST2_V.1/4) Suy ra: ∑ = 5,14.10-4 (m2.oK/W). Vậy qt = 1944,44 ( 1 − 2) (*)
* Xác định hệ số cấp nhiệt của dòng nhập liệu trong ống:
Tại nhiệt độ sơi trung bình của dòng nhập liệu: tFtb = 53,53oC
- Khối lượng riêng hỗn hợp: { ℎ = 761,82 / 3
ướ = 985,91 / 3 1 ℎℎ →ℎℎ = 905,96 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt: 3 905,96 = 3,58. 10−8. 3748,87.905,96. √ 20,72 = 0,428 / Độ nhớt của hỗn hợp: { ℎ = 0,38. 10−3N. s/ 2 ướ = 0,52. 10−3 N. s/ 2 →µℎℎ = . µ ℎ + (1 − ). µ ướ →µℎℎ = 0,194. (0,38. 10−3) + (1 − 0,194). ( 0,52. 10−3) →µℎℎ = 0,489. 10−3 . / 2 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: {
→ =
ℎℎ ℎ
Áp dụng công thức ST2_V.35/12, ta được: = . = 3748,87.0,489. 10−3 = 4,283
0,428
Vận tốc dòng nhập liệu đi trong ống:
=
56 | P a g e
TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com
Chuẩn số Reynolds:
→Chế độ chảy rối, chuẩn số Nusselt được tính theo cơng thức:
* Xác định hệ số cấp nhiệt của hơi nước đi phía vỏ:
= 0,725. 4√
Hệ số cấp nhiệt ngồi thành ống có bị ảnh hưởng bởi sự sắp xếp ống. Bố trí ống theo hình lục giác với 61 ống → số đường chéo của đường 6 cạnh là 9 ống. Tra (ST2_Hình V.20/30), ta có = 0,85.
Khi đó: = .
Dùng phép lặp, chọn tF1 = 120,16oC
Nhiệt độ trung bình của màng nước ngưng tụ: tm = 126,43oC
Tại nhiệt độ này: =937,76 kg/m3; = 0,225.10-3 N.s/m2; = 0,686 W/m.K
= 12405,62 W/m2.K → qn = . .(tn – tF1) = 132231,5 W/m2 → qt = qn =132231,5 W/m2 2 = 1 − . ∑ = 52,19 oC. Tại nhiệt độ này:
- Khối lượng riêng hỗn hợp: {
1 = ℎℎ →ℎℎ = 906,83 kg/m3 - Hệ số dẫn nhiệt: 3 906,83 = 3,58. 10−8. 3746,36.906,83. √ 20,72 = 0,429 / Độ nhớt của hỗn hợp: { ℎ = 0,386. 10−3N. s/ 2 ướ = 0,531. 10−3 N. s/ 2 →µℎℎ = . µ ℎ + (1 − ). µ ướ →µℎℎ = 0,194. (0,386. 10−3) + (1 − 0,194). ( 0,531. 10−3) →µℎℎ = 0,5. 10−3 . / 2 Nhiệt dung riêng của hỗn hợp: {
→ =
ℎℎ ℎ
57 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp Áp dụng cơng thức ST2_V.35/12, ta được = . = 4,37 →NuF = 230,28 → = → = . ( 2 − 25) = 4704,29. (52,19 − 25) = 127909,65 W/m2
Kiểm tra sai số: = | − | . 100% = 3,38% < 5% (thoả)
Vậy tF1 = 120,16oC và tF2 = 52,19oC
Khi đó: = 2704,29 (W/m2.oC) và = 10405,62 (W/m
=
Diện tích bề mặt truyền nhiệt: Chiều dài mỗi ống: = . .( + )/2 = 1,01 ( ) →Vậy chọn L = 1,5 (m).
Với cách bố trí ống trên vỉ theo hình lục giác, số ống truyền nhiệt cần thiết là 61 ống, trong đó số ống trên đường chéo hình lục giác b = 9, số hình lục giác đồng tâm là 4 hình. Chọn bước ngang giữa hai ống: t = 1,25.dng = 1,25.0,016 = 0,02 (m).
Đường kính trong của vỏ thiết bị: Dtr = t.(b-1) + 4.dng = 0,224 (m).
Vậy chọn chiều dài ống L = 1,5 m, đường kính vỏ tiêu chuẩn Dtr = 0,3 m Kiểm tra lại tỉ số L/Dtr:
=
V. Bồn cao vị
1. Tổn thất đường ống dẫn
Chọn ống dẫn có đường kính trong là dtr = 50 (mm)
Tra ST1_II.15/381 → Độ nhám của ống: = 0,2 (mm) = 0,0002 (m) (ăn mịn ít)
Tổn thất đường ống dẫn: ℎ1 = ( 1. 1 + ∑ 1) . 2 ( )
1 2
1: hệ số ma sát trong đường ống 1: chiều dài đường ống dẫn, chọn 1 = 30 (m)
1: đường kính ống dẫn, 1 = = 0,05 (m) : vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn
58 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
1.1. Vận tốc dịng nhập liệu
Dịng nhập liệu là dung dịch methanol 30% ở nhiệt độ 25oC có các thơng số : Khối lượng riêng= 932,25 kg/m3
Độ nhớt động lực= 1,605.10-3 N.s/m2
Năng suất nhập liệu F = 1500 kg/h Vận tốc của dòng nhập liệu đi trong ống:
=
1.2. Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Chuẩn số Reynolds:
=
→Chế độ chảy quá độ, hệ số ma sát được xác định theo công thức: =
1.3. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ
*Chỗ uốn cong:
Tra bảng ST1_II.16/382:
Chọn dạng ống uốn cong 90o có bán kính R với R/d = 2 thì 1 = 0,15 Đường ống có 4 chỗ uốn → 1 = 0,15.4 = 0,6
- Van: Chọn van tiêu chuẩn với độ mở hoàn toàn: (1 á ) = 5; 2 van → = 5.2 = 10
- Lưu lượng kế: 11 = 0 ( coi như không đáng kể )
- Vào tháp: ℎá = 1
Nên: ∑ 1 = 1 + + 11 = 0,6 + 10 + 1 = 11,6
→ ℎ
1
2. Tổn thất đường ống dẫn trong thiết bị đun sơi dịng nhập liệu
ℎ = (
2
Trong đó:
2: hệ số ma sát trong đường ống
2: chiều dài đường ống dẫn, chọn 2 = 6 (m)
2: đường kính ống dẫn, 2 = = 0,032 (m)
59 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
∑ 2: tổng hệ số tổn thất cục bộ
2: vận tốc dòng nhập liệu trong ống dẫn, 2 = 1,328 m/s 2.1. Xác định hệ số ma sát trong đường ống
Chuẩn số Reynolds: Re2 = 51667,51 > 10000: chế độ chảy rối. Độ nhám: = 0,0002 m Chuẩn số Reynolds giới hạn:
= 6.(
ℎ
Chuẩn số Reynolds khi bắt đầu xuất hiện vùng nhám:
= 220. (
Vì ℎ < 2 <→ chế độ chảy rối ứng với khu vực quá độ
Áp dụng công thức ST1_II.64/380: 2 2.2. Xác định tổng hệ số tổn thất cục bộ - Tra bảng ST1_II.16/382: Khi F0/F1 = 0,0322/0,082 = 0,16 thì độ ℎ (1 ℎỗ) = 0,458. Có 1 chỗ đột thu → độ ℎ = 0,458 - Tra bảng ST1_II.16/382: Khi F0/F1 = 0,0322/0,082 = 0,16 thì độ ở (1 ℎỗ) = 0,708 Có 1 chỗ đột mở → độ ở = 0,708. Nên: ∑ 2 = độ ℎ + độ ở = 1,166 → ℎ = ( 2
2.3. Chiều cao bồn cao vị
Chọn:
- Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị
- Mặt cắt (2-2) là mặt cắt tại vị trí nhập liệu của tháp Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
Trong đó:
1: độ cao mặt thoáng (1-1) so với mặt đất, hay xem như chiều cao bồn cao vị Hcv
2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, hay xem như là chiều cao từ mặt đất đến vị trí nhập liệu:
→ 2 = ℎ ℎâ đỡ + ℎđá + ( ℎư − 1). ∆ℎ + 0,5 = 0,24 + 0,2 + (7-1).0,3 + 0,5 = 2,74 m 60 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn P1 = 1 at = 9,81.104 (N/m2)
2: áp suất tại mặt thoáng (2-2)
Xem ∆ = 2 − 1 = ấ . ∆ = 10.360,96 = 3609,6 (N/m2)
1: vận tốc tại mặt thoáng (1-1), xem 1 = 0 (m/s)
2: vận tốc tại vị trí nhập liệu, 2 = = 1,328 m/s ∑ ℎ 1−2: tổng tổn thất trong hệ thống đường ống: → ∑ ℎ 1−2 = 0,086 + 0,664 = 0,75 m → = + 1 2 →Chọn Hcv = 4 m VI. Bơm 1. Cột áp Chọn:
Mặt cắt (1-1) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn chứa nguyên liệu Mặt cắt (2-2) là mặt thoáng chất lỏng trong bồn cao vị Áp dụng phương trình Bernoulli cho (1-1) và (2-2):
+
1
Trong đó:
1: độ cao mặt thống (1-1) so với mặt đất, chọn 1 = 0,5 m
2: độ cao mặt thoáng (2-2) so với mặt đất, chọn 2 = = 4 m
1: áp suất tại mặt thoáng (1-1), chọn 1 = 1 at 2: áp suất tại mặt thoáng (2-2), chọn 2 = 1 at
1, 2: vận tốc tại mặt thoáng (1-1) và (2-2), xem 1 = 2 = 0 m/s
∑ ℎ 1−2: tổng tổn thất trong ống từ (1-1) đến (2-2) : cột áp của bơm
Chọn đường kính trong của ống hút và ống đẩy bằng nhau dtr = 50 mm Tra ST1_II.15/381, độ nhám của ống = 0,0002 (m) (ăn mịn ít)
Tổng trở lực trong ống hút và ống đẩy: ∑ ℎ 1−2 = ( . ℎ+ đ + ∑ ℎ + ∑ ) . 2
2 ℎ: chiều dài ống hút, ở 25oC, tra bảng ST1_II.34/441, ta có chiều cao hút = 4,5 m → Chọn ℎ = 6 m
61 | P a g e
Tính tốn tháp chưng cất mâm chóp
đ: chiều dài ống đẩy → chọn đ = 7,5 m
∑ ℎ và ∑ là tổng tổn thất cục bộ trong ống hút và ống đẩy : hệ số ma sát trong ống4